引言
印度尼西亞獅航的一架波音727 Max-8型飛機(jī)，于2018年10月29日，從雅加達(dá)飛往邦加檳港。該飛機(jī)起飛后13分鐘失事，墜入距雅加達(dá)東北海岸大約15公里的海域，189名乘客和機(jī)組人員全部遇難。根據(jù)找到的黑匣子數(shù)據(jù)初步分析，原因是空速管故障導(dǎo)致。目前，具體的原因仍在分析過程中。為更清楚了解飛機(jī)的關(guān)鍵部件——空速管的工作原理、故障原因，以及如何改進(jìn)、提升空速管的安全性問題，本文逐項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)要的論述。
一、什么是空速管？
我們?cè)谄匠３俗w機(jī)時(shí)，往往會(huì)看到在飛機(jī)的機(jī)頭或機(jī)翼上一般都會(huì)有一根細(xì)長(zhǎng)的且方向朝著飛機(jī)的正前方的管子，這就是空速管（也稱皮托管，由法國(guó)H.皮托發(fā)明而得名）。空速管作為飛機(jī)全靜壓系統(tǒng)中的最核心部件，其故障將對(duì)飛機(jī)的飛行安全造成嚴(yán)重的影響。
飛機(jī)要獲取飛行速度，需要依靠空速測(cè)量設(shè)備獲取數(shù)據(jù)。目前廣泛采用壓力式L型空速管（民用航空飛機(jī)大部分使用，軍用飛機(jī)考慮重量因素以及其它因素，已經(jīng)逐步取消了空速管），相對(duì)其它測(cè)量方法，其具有成本低、效率高、可靠性較好的優(yōu)勢(shì)。
空速管的工作原理是：L型空速管是一個(gè)中空的雙層套管，頭部為半球形。當(dāng)測(cè)量速度時(shí)，空速管頭部對(duì)準(zhǔn)機(jī)頭方向。當(dāng)飛機(jī)向前飛行時(shí)，氣流沖進(jìn)空速管，在管子末端安裝的傳感器就感受到氣流的沖擊壓力（動(dòng)壓）。飛機(jī)飛得越快，沖擊壓力（動(dòng)壓）就越大。如果將空氣靜止時(shí)的壓力即靜壓與動(dòng)壓相比，就可以知道沖進(jìn)來的空氣到底有多快，也就知道飛機(jī)飛行速度多大。 比較兩種壓力的傳感器是一個(gè)用上下兩片很薄的金屬片制成的表面帶波紋的空心圓形盒子，也成為膜盒。這個(gè)盒子是密封的，但是有一根管子與空速管相連。如果飛機(jī)速度越快，動(dòng)壓便增大，膜盒內(nèi)壓力增大，膜盒會(huì)鼓起來。然后通過相應(yīng)杠桿、齒輪等將壓力帶來的變形轉(zhuǎn)化為速度指示。
根據(jù)測(cè)量的壓力計(jì)算出流速的原理是伯努利方程，以下圖為例，A、B是空速管中的兩個(gè)不同截面。在空速管截面Ｂ處，如果與頭部距離足夠遠(yuǎn)，則該處的氣流可以認(rèn)為未受擾動(dòng)，所以從空速管外測(cè)小孔引入的壓力就是大氣靜壓。由此根據(jù)伯努利方程得到：
由上面計(jì)算原理可知，測(cè)量的空速會(huì)隨著飛機(jī)所在空域的大氣密度變化而變化，而飛機(jī)機(jī)翼獲得的升力、機(jī)身阻力、引擎進(jìn)氣量都與大氣密度相關(guān)，并且這些數(shù)據(jù)都是有關(guān)聯(lián)關(guān)系及規(guī)律的。因此，飛機(jī)的空速指示可以方便得到飛行包線引擎等數(shù)據(jù)。迎角一定時(shí)，升力和阻力的大小直接取決于動(dòng)壓，因此，指示空速對(duì)保證安全飛行，防止失速有重大意義，尤其是起飛和著陸階段。
二、空速管造成的事故
1974年至今，部分由于空速管故障造成的事故，如下表所示。
三、空速管的常見故障原因
空速管可以將故障原因大致概括為：
? 空速管加溫故障/堵塞
? 靜壓源誤差/堵塞
? ADM誤差/失效
? ADIRU誤差/失效
? 迎角/全溫探頭故障
? 全壓管路故障
? 異物堵塞（昆蟲、飛鳥、大雨、泥土等）
? 其他...
根據(jù)相關(guān)資料統(tǒng)計(jì)可知，空速管堵住、空速管結(jié)冰的原因占比較高?？账俟芏氯麜?huì)導(dǎo)致全壓采集滯后或不準(zhǔn)。若空速管進(jìn)口完全堵死時(shí)，全壓管內(nèi)氣壓壓力將保持不變并維持恒定的氣壓，如地面場(chǎng)壓，這將導(dǎo)致地面及低空飛行時(shí)指示空速接近于零。此時(shí)，很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤指示甚至安全事故。
同時(shí)，也有部分原因是屬于人員維護(hù)、操作上的問題，例如地面維修過程中忘記給空速管帶上防護(hù)罩、地面維修過程中忘記移除空速管罩等。
另外，根據(jù)我國(guó)某航空公司的空速管更換記錄可知，每年的4~8月份的更換次數(shù)較多，屬于春季末和夏季。另外，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該航空公司的飛機(jī)執(zhí)行華東片區(qū)的飛機(jī)更換空速管占比較高，達(dá)到64%。較大可能是與地處華東濕熱、降雨較多相關(guān)。
四、應(yīng)對(duì)措施及建議
4.1 替換傳統(tǒng)的空速管
在60年代，美國(guó)國(guó)家航空航天局為了滿足航天飛機(jī)進(jìn)入大氣層時(shí)的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量需求，提出了融于飛行器表面流線的大氣數(shù)據(jù)傳感器技術(shù)。這種技術(shù)依靠嵌入在飛行器前端或機(jī)翼的壓力傳感器陣列來測(cè)量飛行器表面的壓力分布，并由壓力分布間接獲得飛行參數(shù)的數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)，這就是嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)(Flush Air Data Sensing FADS)。
美國(guó)在60年代開始了對(duì)嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)的研究。在90年代初期，美國(guó)開始應(yīng)用于超聲速戰(zhàn)斗機(jī)的試驗(yàn)研究上，當(dāng)時(shí)主要目的是解決戰(zhàn)斗機(jī)大攻角機(jī)動(dòng)時(shí)的大氣數(shù)據(jù)測(cè)量問題。90年代中期時(shí)嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)應(yīng)用在了X-33上，整個(gè)系統(tǒng)算法的穩(wěn)定性基本得到解決。此后，又集中在嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)的算法執(zhí)行性、故障檢測(cè)與排除、誤差分析與校準(zhǔn)等問題上。直到嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)的日趨成熟在F-35上的應(yīng)用。
我國(guó)的殲-20在完成早期試驗(yàn)階段相關(guān)測(cè)試的大量數(shù)據(jù)收集工作后取消機(jī)頭的空速管，也由機(jī)頭側(cè)面的嵌入式大氣數(shù)據(jù)傳感系統(tǒng)代替。
4.2 加強(qiáng)飛行前的檢修管理要求
由前面的事故及原因分析可知，部分事故的原因是可以通過管理手段進(jìn)行避免或者杜絕的。例如，可以通過起飛前的再次檢查確認(rèn)（如交叉檢查），或者增加相應(yīng)的檢查設(shè)備進(jìn)行空速管的運(yùn)行狀態(tài)起飛前檢查確認(rèn)等。為了進(jìn)一步確保飛行安全，可適當(dāng)在檢修工作規(guī)范、流程中考慮增加相應(yīng)的檢修工作項(xiàng)目。
4.3 設(shè)計(jì)改進(jìn)
關(guān)于如何改進(jìn)空速管的設(shè)計(jì)，部分人提出了空速管進(jìn)口是否可以增加膜片，以降低堵塞風(fēng)險(xiǎn)[1]。
另一方面，當(dāng)空速管堵塞、結(jié)冰等造成失效時(shí)，往往只能依靠機(jī)組人員進(jìn)行應(yīng)急判斷、處理。但是，由于空速管被堵，無法獲得飛機(jī)的飛行速度等參數(shù)，相當(dāng)于飛機(jī)處于盲飛狀態(tài)，對(duì)于機(jī)組人員來說，大大增加了處理的難度。此時(shí)，是否可以考慮增加備用檢查手段或者備用確認(rèn)手段，用于提前確認(rèn)空速管的飛行參數(shù)是否正常或者校準(zhǔn)，以便決策是否需要采取進(jìn)一步的應(yīng)對(duì)措施。
但是，無論是采取增加膜片，還是增加備用檢查、確認(rèn)手段，都需要經(jīng)過嚴(yán)格的安全評(píng)估，不能因?yàn)樵黾酉鄳?yīng)的防護(hù)設(shè)備而降低飛機(jī)整機(jī)的安全性。
4.4 提升飛機(jī)設(shè)計(jì)的人因及安全分析
從上面的事故原因也可以看出，人因占據(jù)了較大的比例。同時(shí)，也反映出飛機(jī)設(shè)計(jì)本身在考慮人因、或者人參與情況下的安全問題是有可提升的空間的。為此，可以引入包括事故場(chǎng)景推演分析、人因可靠性分析等手段進(jìn)行分析，借助相應(yīng)的專業(yè)可靠性、安全性分析工具，盡量將空速管等設(shè)備潛在的事故場(chǎng)景分析到位。
參考文獻(xiàn)：
1、 成正強(qiáng)，《皮托管故障引發(fā)的災(zāi)難性事故案例分析》，中國(guó)民航飛行學(xué)院學(xué)報(bào)，2018
2、 周躍飛，《淺析飛機(jī)空速管的典型故障及危害》，中國(guó)科技信息，2014